★ 菲尼克斯电气中国有限公司

在火电机组深度调峰常态化和入炉煤硫分波动加剧的背景下，石灰石—石膏湿法脱硫系统面临工况扰动频繁、过程滞后明显、人工干预强、运行冗余高等问题。北京博奇电力科技有限公司结合脱硫工艺机理与模型预测控制思路，依托菲尼克斯电气vPLCnext开放自动化平台，构建了集实时控制、机理建模、AI算法承载与非侵入式系统集成为一体的智慧脱硫解决方案，并在多个600MW~1000MW 机组实现工程应用。实践表明，该方案能够实现出口SO2浓度“贴线运行”，同时兼顾石灰石消耗优化、厂用电降低和运行自动化水平提升，为流程工业中vPLCnext平台与工业智能深度融合提供了可复制的工程路径。

1   项目背景：深度调峰时代下脱硫系统面临新的控制挑战

随着我国能源结构持续调整， 火电机组正由基础负荷电源逐步转向调峰保障电源，机组负荷频繁、大幅波动已成为运行常态。与此同时，为降低燃料成本，不少电厂采用配煤掺烧方式，导致入炉煤硫分持续变化。在这一背景下，石灰石—石膏湿法脱硫系统长期运行在强扰动、强耦合和大滞后的复杂工况中，传统依赖经验和常规反馈控制的运行方式越来越难以兼顾环保、安全和经济性。

在实际生产中，为避免SO 2 排放超标，运行人员通常倾向于采取保守控制策略，将出口SO2浓度长期维持在远低于排放限值的水平，典型值为5~15mg/Nm³。该方式虽然确保了环保安全，却也带来了明显副作用：石灰石吸收剂投加偏多，浆液循环泵和氧化风机长期高负荷运行，系统电耗和物耗持续偏高，与火电企业节能降碳、精益运行的要求不相适应。

近几年， 行业内虽已出现多类智慧脱硫控制方案，但在工程应用中仍存在共性问题：  一 是模型过度依赖历史数据，工艺机理关联不足，容易形成“黑箱”结构，导致因果关系不清、泛化能力有限；二是对烟气参数传输延时、关键变量缺测、机组负荷快速切换等现场特性考虑不足，调试周期长、工况适应性差；三是传统控制平台与算法平台相互分离，控制侧强调确定性，计算侧强调开放性，两者之间往往需要额外的服务器、网络和接口系统支撑，架构复杂，也不利于长期稳定运行。

因此，用户真正需要的并不是单独增加一个优化软件，而是一种能够将工艺机理、实时控制和复杂计算统一起来，并且能够快速投运、稳定运行的智慧脱硫解决方案。

2   方案总体思路：以vPLCnext为核心构建“一体化智慧脱硫平台”

项目的关键， 不在于简单地把AI软件叠加到原有控制系统之外，而在于构建了一个以vPLCnext为核心、兼容控制与智能双重需求的一体化架构。博奇环保提出基于工艺理论的智慧脱硫控制方法， 菲尼克斯电气则提供了vPLCnext作为开放、可靠且具备较强扩展能力的自动化平台， 该智慧脱硫系统由山东创恒科技发展有限公司进行成套集成， 总包单位博奇公司基于该平台开发、部署和实施， 使实时控制、机理建模、预测计算和系统集成能够在同一工程体系内完成。

该方案基于Intelx 86架构，并通 Type 1 Hypervisor部署Linux与Windows双系统，在一套硬件平台上同时承载实时控制任务和高算力算法任务。其中，控制侧负责与现场DCS、PLC、I/O模块及执行设备进行实时通信和指令下发， 确保工艺控制具备工业级的确定性； 算法侧则为工艺机理模型、AI预测控制、分析软件和人机界面提供开放运行环境。二者在同一底座内协同工作， 形成了兼顾OT实时性与IT灵活性的“双脑”架构。 vPLCnext智慧脱硫系统架构图如图1所示。

图1 vPLCnext智慧脱硫系统架构图

在工程实施层面，该方案并未对原有DCS系统进行大规模改造， 而是通过标准工业协议与原系统进行交互， 实现智能前置、非侵入式集成。这一点对火电存量项目尤为关键：既要完成智能化升级，又不能影响原有控制系统的安全边界和运行稳定性。 vPLCnext在本项目中的作用，正是为这种“低风险改造、高价值提升”的实施方式提供了平台基础。

3   vPLCnext在本项目中的关键作用

vPLCnext是菲尼克斯电气推出的软件定义自动化控制平台，可部署于标准工业PC或服务器，实现控制功能与专用硬件解耦。该平台兼具实时控制、开放编程、协议互联和灵活扩展等优势，既支持IEC 61131-3， 也兼容 C/C++、Python、C#、MATLAB等高级语言， 并可结合容器化部署、Web可视化和数字孪生验证，支撑控制、计算与应用的一体化集成。对于智慧脱硫这类既要求控制确定性、又需要复杂算法承载的场景， vPLCnext不只是控制器，更是开放的工业智能平台。

在本项目中， vPLCnext首先解决了OT与IT长期割裂的问题。传统PLC难以直接承载复杂算法，通用工控机又难以满足工业控制对实时性和确定性的要求。vPLCnext通过虚拟化和平台化方式，在同一硬件环境中同时提供实时控制环境和开放计算环境，使控制逻辑、工艺模型、AI算法和界面应用不再是分散拼接， 而能够在一个平台上协同运行。这种“算控一体”的能力，是智慧脱硫能够从外挂式优化走向现场闭环控制的基础。

其次，vPLCnext提升了控制与算法之间的数据交互效率。相较于“PLC+服务器”的分体式架构，统一平台内部可通过高速通信机制完成数据交换， 减少时延和不确定性，更适合前馈预测控制对时序一致性的要求。对于脱硫这种大滞后过程而言，数据链路越短、时间基准越统一，控制效果越稳定。

再次，vPLCnext的软硬解耦和开放兼容能力提升了项目工程化效率。平台无需依赖特定控制硬件，能够更灵活地嵌入客户现有系统；同时支持PLC语言与高级语言混合开发，使控制工程师与算法工程师能够在同一项目中高效协同， 减少算法移植、系统对接和后续维护成本。对于智慧脱硫这类既有控制系统基础上实施优化升级的项目而言，这种能力可以显著缩短部署与投运周期。

最后， vPLCnext满足了工业现场对安全性和可维护性的要求。作为智能前置单元，它可通过标准工业协议与原有DCS系统交互，无需对既有控制柜和核心逻辑进行大规模改造，从而实现智能优化系统与底层控制系统之间的风险隔离。即使后续模型需要升级或维护，也不会影响原有系统的安全稳定运行，这一点对于火电存量机组改造尤为关键。

图2 vPLCnext程序实现

4   控制方法与应用成效

在控制策略上，本项目构建了多层级 、模块化的模型预测控制架构。系统将烟气量、循环泵流量、SO2浓度等关键过程拆解为多个相互关联的理论模型，在此基础上进行前馈预测和闭环优化。与依赖大量历史数据训练的黑箱模型相比，这种方式更符合现场工艺机理，也更有利于提高模型可解释性和全工况适应能力。

其中， 一个重要创新点是由“滞后调节”转向“前馈预测”。基于工艺理论的烟气量模型可提前3—5分钟预测烟气负荷变化，从而在SO2指标尚未明显波动前，就预先调整相关控制策略。对于具有显著过程滞后的脱硫系统而言，这一能力是实现“贴线运行”的关键。此外，项目针对浆液循环泵流量这一现场难以长期、经济地准确测量的参数，采用了基于轴功率与泵性能曲线的软测量方法，在不增加硬件成本的前提下实现在线计算。这不仅降低了实施与维护成本，也为优化控制提供了更可靠的输入变量。

从应用效果看，该技术已在谢桥电厂2×660MW机组、天钢联合特钢2×230㎡烧结机等项目中实现工程应用，并同步推进阳西电厂4×600MW机组、淮南洛河电厂2×1000MW机组、寿阳2×350MW超临界直接空冷机组等项目，显示出较好的工况适应性和推广能力。在控制精度方面，系统可实现出口SO2浓度在稳态工况下控制在设定值±3mg/Nm3以内，在大幅变负荷工况下波动不超过±7mg/Nm3，较好实现了“贴线运行”。以谢桥电厂660MW机组为例，系统投运后，通过优化循环泵启停可节电约5000度/天，氧化风机电耗降低超过30%，石灰石耗量年节省约1120吨，单台机组年均可节约运行成本约80万元；同时，供浆自动投运率超过98%，显著降低了人工干预频次和运行劳动强度。 机组运行数据统计如图3所示。

图3 机组运行数据统计

5   案例意义

博奇环保智慧脱硫项目表明 ，在流程工业复杂控制场景中， PLC的角色正在发生变化。它不再只是完成逻辑联锁和常规控制的设备，而正在成为承载机理建模、预测计算和智能优化的现场平台。 vPLCnext在本案例中的价值，恰恰体现在其既保留了PLC的实时性、确定性和工业可靠性，又提供了开放的软件环境和灵活的应用集成能力， 为工业AI真正进入控制现场提供了工程条件。

从行业视角看，该案例为火电行业在深度调峰背景下实现环保、安全、节能多目标协同提供了可验证路径；从产品视角看，它也证明了开放式vPLCnext平台不仅能够“控制设备”，更能够“承载智能”。这对于智慧环保、智慧电厂乃至更广泛的流程工业场景，均具有较强的借鉴意义和推广价值。

摘自《自动化博览》2026年5月刊